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铁水KR搅拌脱硫漩涡形态对脱硫剂颗粒量化扩散行为研究

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炼钢 2024年

作者：齐刚齐江华李明晖彭家云周剑丰安徽工业大学冶金工程学院湖南华菱涟源钢铁有限公司技术中心

通过KR铁水预脱硫水模型试验，分析探讨了影响KR铁水脱硫动力学的主要因素。研究结果表明，搅拌器转速、搅拌器插入深度、铁水罐装载深度、罐径比对铁水脱硫动力学有明显影响，搅拌器转速140 r/min、搅拌器插入深度213 mm、铁水罐装载深... 详细信息

通过KR铁水预脱硫水模型试验，分析探讨了影响KR铁水脱硫动力学的主要因素。研究结果表明，搅拌器转速、搅拌器插入深度、铁水罐装载深度、罐径比对铁水脱硫动力学有明显影响，搅拌器转速140 r/min、搅拌器插入深度213 mm、铁水罐装载深度450 mm、罐径比在0.42时粒子分散性最好。研究发现脱硫剂颗粒分散性最好的区域漩涡深度相对搅拌器深度最优范围在0.96～1.17，漩涡宽度相对搅拌器宽度最优范围在0.66～0.72；粒子分散性相对较好的区域漩涡深度相对搅拌器深度最优范围在0.88～1.37，漩涡宽度相对搅拌器宽度最优范围在0.61～1.20。基于水模型试验结果对KR动力学条件优化进行了工业性试验，优化后搅拌器铁水深脱硫比相较于原搅拌器的66.8%，增加7.2百分点，达到74%；新型四叶搅拌器搅拌时间平均为630 s，搅拌周期缩短18 s；在搅拌周期缩短的情况下，优化后搅拌器脱硫剂消耗量降低1.2%；铁水温降降低0.7℃；二次脱硫效率降低2.6%，扒渣铁损由1.71 t降至1.39 t，降幅达18.7%。工业性试验表明在深脱硫比例增加的条件下，KR动力学条件优化取得了较好效果。

关键词： KR法脱硫水模型漩涡形态颗粒扩散

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自由剪切流动中颗粒扩散的自相似特性

工程热物理学报 2007年第3期28卷 427-430页

作者：罗坤樊建人岑可法能源清洁利用国家重点实验室浙江大学热能工程研究所浙江杭州310027

为了研究自由剪切流动中颗粒扩散的统计特性,对空间发展模式的三维气固两相射流和时间发展模式的三维气固两相混合层进行了直接数值模拟。其中对气相不可压缩Navier-Stokes方程的求解分别采用有限容积方法和拟谱方法,对离散惯性颗粒的... 详细信息

为了研究自由剪切流动中颗粒扩散的统计特性,对空间发展模式的三维气固两相射流和时间发展模式的三维气固两相混合层进行了直接数值模拟。其中对气相不可压缩Navier-Stokes方程的求解分别采用有限容积方法和拟谱方法,对离散惯性颗粒的跟踪采用单向耦合的拉格朗日方法。统计结果显示,当流场进入自相似状态后,以流场速度梯度二阶不变量Q为自变量的颗粒数的概率分布函数也呈现出与颗粒尺寸和时间发展无关的自相似特性。

关键词：自由剪切流动颗粒扩散直接数值模拟统计研究自相似

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三维气固圆柱绕流颗粒扩散的直接数值模拟

浙江大学学报（工学版） 2007年第3期41卷 484-488页

作者：陈懿樊建人任安禄岑可法浙江大学能源洁净利用国家重点实验室热能工程研究所浙江杭州310027 浙江大学流体工程研究所浙江杭州310027

为了考察颗粒在圆柱尾流中扩散的运动机理,对气固两相圆柱尾迹流动进行了高精度紧致差分方法的三维直接数值模拟.在对气相流场进行高精度模拟的基础上,采用了Lagrangrian方法来追踪颗粒场的运动.比较了不同颗粒Stokes数为0.01、1、10和... 详细信息

为了考察颗粒在圆柱尾流中扩散的运动机理,对气固两相圆柱尾迹流动进行了高精度紧致差分方法的三维直接数值模拟.在对气相流场进行高精度模拟的基础上,采用了Lagrangrian方法来追踪颗粒场的运动.比较了不同颗粒Stokes数为0.01、1、10和不同Reynolds数为180和200下颗粒的扩散函数,考察了三维圆柱尾迹流流场中气相场的运动对颗粒相扩散的影响.模拟结果表明:当气相流场由二维特性向三维特性转变时,由于受到气流场展向涡的影响,颗粒的展向扩散函数有相当程度的增大.颗粒在横向上扩散函数随着粒径的增大而增大,而在展向上颗粒扩散函数则随着粒径的增大而减小.

关键词：气固两相直接数值模拟圆柱绕流颗粒扩散高精度紧致差分方法

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三维混合层中湍流拟序结构对颗粒扩散的影响

燃烧科学与技术 2003年第1期9卷 29-34页

作者：罗坤金晗辉樊建人岑可法浙江大学热能工程研究所杭州310027

对时间发展模式的三维气固两相混合层湍流拟序结构及其对不同尺寸颗粒扩散的影响进行直接数值模拟 .对于气相场 ,应用拟谱方法 (Pseudospectralmethod)直接求解Navier Stokes方程组 ;对于颗粒场 ,应用Lagrangian方法跟踪半场颗粒 .针对... 详细信息

对时间发展模式的三维气固两相混合层湍流拟序结构及其对不同尺寸颗粒扩散的影响进行直接数值模拟 .对于气相场 ,应用拟谱方法 (Pseudospectralmethod)直接求解Navier Stokes方程组 ;对于颗粒场 ,应用Lagrangian方法跟踪半场颗粒 .针对不同Stokes数的颗粒 ,分别模拟颗粒场在展向和流向的分布变化 ,进而分析流场三维大涡结构对不同颗粒扩散的影响 ,并引入一系列参数。

关键词：三维混合层湍流拟序结构拟谱方法直接数值模拟颗粒扩散大涡结构

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转捩射流中涡结构与颗粒扩散的直接模拟

工程热物理学报 2006年第4期27卷 607-610页

作者：罗坤樊建人岑可法能源清洁利用国家重点实验室浙江大学热能工程研究所浙江杭州310027

为考察转捩射流中拟序结构的空间演化过程及其对不同Stokes颗粒扩散的影响,采用有限容积方法和分步投影算法对三维气固两相射流进行了直接模拟。其中流体控制方程组的时间积分采用低存储三阶精度的Runge-Kutta格式; 颗粒的跟踪在拉格朗... 详细信息

为考察转捩射流中拟序结构的空间演化过程及其对不同Stokes颗粒扩散的影响,采用有限容积方法和分步投影算法对三维气固两相射流进行了直接模拟。其中流体控制方程组的时间积分采用低存储三阶精度的Runge-Kutta格式; 颗粒的跟踪在拉格朗日框架下进行。模拟结果发现,在流场拟序结构由大尺度转化为小尺度的过程中,中、小Stokes数的颗粒能自发地调整它们的扩散方式,分别由非均匀状态向均匀状态以及由均匀状态向非均匀状态转变。

关键词：直接数值模拟气固两相转捩射流拟序结构颗粒扩散

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流化床焚烧炉中颗粒扩散特性理论研究

工程热物理学报 1999年第4期20卷 462-466页

作者：魏小林田文栋盛宏至中国科学院力学研究所北京100080

本文建立了流化床焚烧炉中粒子扩散方程，通过求解方程，得到了鼓泡床和内旋流床中颗粒扩散特性，并与试验结果进行了对比，两者符合较好。结果表明鼓泡床横向扩散能力较差，而内旋流床有很好的横向扩散特性，非常有利于废弃物在床内的... 详细信息

本文建立了流化床焚烧炉中粒子扩散方程，通过求解方程，得到了鼓泡床和内旋流床中颗粒扩散特性，并与试验结果进行了对比，两者符合较好。结果表明鼓泡床横向扩散能力较差，而内旋流床有很好的横向扩散特性，非常有利于废弃物在床内的快速扩散。

关键词：流化床颗粒扩散理论研究焚烧炉废弃物

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气固两相流动中颗粒扩散的转捩现象

科学通报 2006年第23期51卷 2810-2817页

作者：罗坤樊建人岑可法浙江大学能源清洁利用国家重点实验室杭州310027

不引入任何湍流模型,采用有限容积方法对三维气固两相湍流射流进行了直接数值模拟,着重考察湍流结构的转捩行为对不同Stokes数颗粒扩散的影响.为了得到高精度的结果,同时降低计算量和存储量,对气相流体控制方程组的求解采用分步投影算法... 详细信息

不引入任何湍流模型,采用有限容积方法对三维气固两相湍流射流进行了直接数值模拟,着重考察湍流结构的转捩行为对不同Stokes数颗粒扩散的影响.为了得到高精度的结果,同时降低计算量和存储量,对气相流体控制方程组的求解采用分步投影算法,对时间积分采用低存储、三阶精度的Runge-Kutta积分格式;对颗粒控制方程的求解在拉格朗日框架中进行.流场的统计结果与相关的实验数据吻合良好,证实了数值算法的可靠性.对颗粒扩散的研究发现,展向涡结构对颗粒扩散的影响比较突出.而在流场的演化过程中,观察到颗粒扩散的新行为,即中、小Stokes数的颗粒在流场中的分布出现了“转捩”现象.

关键词：直接数值模拟气固两相流拟序结构颗粒扩散转捩

液固两相圆柱绕流尾迹内颗粒扩散分布的离散涡数值研究

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应用数学和力学 2006年第4期27卷 477-483页

作者：黄远东吴文权上海理工大学环境工程系上海200093

基于离散涡方法求得的非定常水流场和颗粒的Lagrange运动方程，数值模拟了稀疏液固两相圆柱绕流尾迹内颗粒的扩散分布．获得了流动的涡谱与3种不同St数颗粒（St=0．25，1．0，4．0）在流场中的分布．通过引入扩散函数来定量表示颗粒在... 详细信息

基于离散涡方法求得的非定常水流场和颗粒的Lagrange运动方程，数值模拟了稀疏液固两相圆柱绕流尾迹内颗粒的扩散分布．获得了流动的涡谱与3种不同St数颗粒（St=0．25，1．0，4．0）在流场中的分布．通过引入扩散函数来定量表示颗粒在流场中的纵向扩散强度，并计算得到了不同St数颗粒的扩散函数随时间的变化．数值结果揭示出了液固两相圆柱绕流尾迹中的颗粒扩散分布与颗粒的St数和尾涡结构密切相关：1）中小St数（St=0．25．4．0）颗粒在运动过程中不能进入涡核区，而在旋涡结构的外沿聚集，且颗粒的St数愈大，其越远离涡核区域；2）在圆柱绕流尾迹区域内，中小St数（St=0．25．4．0）颗粒的纵向扩散强度随其St数的增大而减小．

关键词：液固两相高Reynolds数离散涡方法尾涡颗粒扩散

基于液固界面颗粒扩散自构筑人工SEI用于锂金属负极保护

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基于液固界面颗粒扩散自构筑人工SEI用于锂金属负极保护

作者：谢天湖南大学

学位级别：硕士

近年来,锂（Li）金属负极因其特有的高理论比容量,最低电化学还原电势和极低质量密度,正逐渐成为实现高比能量电池体系的终极材料以适应未来高性能电池的发展需求。然而,锂金属电池在反复循环尤其是高倍率运行时极易产生枝晶,这些枝晶... 详细信息

近年来,锂（Li）金属负极因其特有的高理论比容量,最低电化学还原电势和极低质量密度,正逐渐成为实现高比能量电池体系的终极材料以适应未来高性能电池的发展需求。然而,锂金属电池在反复循环尤其是高倍率运行时极易产生枝晶,这些枝晶极易刺穿隔膜使电池短路。传统的热注入锂构筑一体化电极策略,虽能在一定程度上缓解枝晶生长和体积膨胀,但其自然形成的固态电解质界面（SEI）存在非均一和机械强度低等问题,无法有效保护Li负极;而且目前从调控SEI膜组分或构筑人工SEI（ASEI）视角保护锂负极的策略大多基于固态锂电极,其得到的ASEI实际上是不连续和非致密的。受到液体具有流动性、表面光滑等特点的启发,本论文提出了一个新角度:基于液态Li金属的动态界面设计构筑致密稳定的ASEI以实现Li负极的无枝晶运行,并对液固相界面上颗粒的扩散行为进行深入探究,主要研究内容和结果如下。（1）为了实现液态Li在复合电极中的实际应用,首先要解决液态Li表面张力大和限域成型的问题。为此,我们基于泡沫铜制备了两种亲锂三维基底即硫化亚铜和氧化铜,以此来降低液态Li的表面张力,随后借助亲锂基底与液态Li反应所释放的吉布斯自由能,可顺利将液态Li限制在三维亲锂基底中得到单扩散复合锂电极（SDC）。在两者接触瞬间,我们观察到原位生成的产物颗粒在液态Li上的优势扩散,进而引起SDC电极上产物颗粒的损失。实际上,这是一种基于液固界面的双扩散行为,即在液态Li向亲锂基底内部扩散时（扩散一:液体向固体表面）,还伴随纳米颗粒在液态Li表面的扩散（扩散二:固体颗粒向液体表面）。在初步分析了液-固界面上产物的扩散行为后,发现未干预时颗粒的优势扩散会造成混乱的电极表面,影响SDC电极性能发挥。（2）基于对上述现象的深入思考,针对常规热注入策略中电极表面不均匀和原始ASEI性能差的问题,我们提出在液态Li界面上构筑高均匀分散ASEI的思路。利用双扩散行为中纳米颗粒在液态Li上自发扩散（扩散二）的现象,以液态锂作分散剂将固态碳点颗粒（CDs）均匀地分散在其表面,最终形成以碳膜为骨架、富含亲锂化合物的致密ASEI。该ASEI不仅能促使Li通量均一化,实现稳定电极-电解液界面,而且能全方位保护锂负极,减少活性Li损失,相应的对称电池在1 m A cm和1 m Ah cm下可实现2400 h以上的稳定循环,匹配Li Fe PO（LFP）正极的全电池在2 C循环1000次后容量保持率达84%以上。此外,该策略还证明了直接在液态Li表面调控固态颗粒扩散行为的可行性,为后续实验的顺利实施做了铺垫。（3）由于常规热注入策略忽略了产物颗粒优势扩散的现象,且研究者们没有重视对这些产物颗粒的收集和利用,所以相应电极的实际性能往往受制于其混乱的电极表面。而液态Li除了可流动和表面光滑外还具有超高的反应活性,若将液态Li用作反应基底,则可促使界面反应深度进行和产物颗粒均匀富集。于是,基于液-固界面的双扩散行为和综上验证,我们提出了动态构建增强型一体化薄锂负极的策略,即以液态Li作为反应和扩散基底,通过原位调控产物颗粒在液态Li上的自扩散行为（RSD）构筑连续、致密的ASEI。这种基于Li液态金属上同步反应-扩散-组装的ASEI可原位装配在一体化薄锂电极上,其低负载量(约1.5mg cm)LFP全电池在3 C循环1500次后能保持80%以上的可逆容量且负极形貌呈现为无枝晶状;对应的高负载量(约10.5 mg cm)全电池在1 C循环400次后可保持95%的容量,能量密度高达452 Wh kg,充分体现RSD策略中ASEI和增强型一体化电极的优异性能。总地来说,Li液态金属可被视为优良的反应介质,若借助其特征优势来调控基于液-固界面的扩散行为,就能在制备一体化锂复合电极的同时构筑致密稳定的ASEI。这种一石二鸟的策略显著增强了一体化薄锂电极的综合性能,并为常规锂负极保护和一体化电极构筑提供创新性思路,有望助力Li金属负极的实用化研发。

关键词：锂金属负极液态金属液固界面颗粒扩散人工固态电解质界面